学术研究
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医疗设计 学术研究 专利

减震技术在盐东卫生院改造项目中的应用

2021-08-06138

结构所-李博伦


一、 工程概况


盐东镇卫生院改建前原为盐城市新城乡大厦,该大厦位于江苏省盐城市亭湖区盐东镇,建于2012年前后,总建筑面积约9300㎡,建筑高度43.5m,为地上十层(局部十一层)框架-剪力墙结构,主要功能为办公,建成后由于种种原因空置至今。现新冠疫情来临之际,为响应上级政府号召,改善加强当地医疗救治能力,将原新城乡大厦改建为盐东镇卫生院。改扩建与新建项目相比,具有工期较短,造价较低的优势,能更快速地应对新冠肺炎疫情带来的挑战。

图1.盐城市新城乡大厦

新城乡大厦原有设计条件为抗震设防烈度7度,设计基本地震加速度值0.15g,场地设计特征周期0.65s,剪力墙抗震等级二级,框架抗震等级三级。因相关规范修订及医疗建筑抗震设防类别为乙类,并根据《江苏省防震减灾条例》第二十二条的规定,本工程应按当地抗震设防烈度提高一档进行设防,因此改建设计时主要设计条件为抗震设防烈度8度,设计地震基本加速度值0.20g,场地设计特征周期0.90s,剪力墙抗震等级一级,框架抗震等级二级。对比可知,新旧设计条件差异较大,若采用常规加固做法较难使建筑物满足现行规范的相关要求,综合考虑施工周期及成本,本项目决定采用粘滞阻尼器以满足设计目标。

二、 设计要点

粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘性液体所组成,如图所示。缸体内装有粘性液体,液体常为硅油或其他粘性流体,活塞上开有小孔。当活塞在缸体内做往复运动时,液体从活塞上的小孔通过,对活塞和缸体的相对运动产生阻尼,从而消耗震动能量。


图2.粘滞阻尼器构造示意图


粘滞阻尼器主要有以下几个优点:
1.在其他领域已广泛应用发展,可见其良好的使用性及可行性,因此设计经验丰富,能在土木工程领域较好推广应用。
2.基本上不需要维修,可长期安置,经过地震后,原则上阻尼器不致破坏,便可不需更换继续使用,即使需要更换,操作也较为容易。
3.在粘滞阻尼器消能的过程中必然会有温度升高或降低的情形,然而温度的变化对粘滞阻尼器的消能功能不会有太大影响。
4.粘滞阻尼器在被动装置的消能系统中,是一种速度相关型的消能装置,不会增加结构刚度而导致结构周期减少,且粘滞阻尼器能够增加结构阻尼比,有效减少结构反应(位移、速度、加速度)。
5.粘滞阻尼器布置形式多样,有墙式、斜撑式、K字型等多种形式,可结合工程设计条件灵活选用。
阻尼器的平面内布置位置应尽量遵循“均匀、分散、对称”的原则,本项目中典型楼层及部位阻尼器布置情况见下图。

图3.三层阻尼器平面布置图

图4.C轴阻尼器立面布置图


根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中第12.3.4条:消能部件附加给结构的有效阻尼比,可按下列方法确定。

消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算:



下表为软件计算得到的附加阻尼比,可知X和Y方向的最小附加阻尼比分别为10.70%和10.23%,整体结构计算时取附加阻尼比9%。



为保证阻尼器充分发挥作用,《建筑消能减震技术规程》和《建筑消能减震应用技术规程》中对子结构的设计均提出一定的要求:消能子结构中梁、柱和墙构件宜按重要构件设计,并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应,其值应小于构件极限承载力。为此,首先需保证阻尼器与原结构有可靠连接,通过与支撑相连的框架梁、柱的性能水平,考察各消能子框架在大震作用下是否能达到既定的性能目标。


图5.粘滞阻尼器与框架梁连接节点做法

图6.大震下构件损伤情况 


由上图可以看出,大震下,大部分框架梁、柱损坏在中度以下,底层局部剪力墙及与其相连的墙梁出现重度损伤;结构梁的塑性损伤重于柱的塑性损伤,满足“强柱弱梁”的设计准则。


三、 结论

1.多遇地震下,粘滞阻尼器可以提供附加阻尼比,结构X向和Y向最大位移角分别为1/1292、1/1207,满足规范要求,无阻尼器时X向与Y向最大位移角均仅为1/750左右
2.罕遇地震下,结构X向和Y向最大位移角分别为1/130、1/119,满足规范要求。
3.罕遇地震下,除一层个别短墙损伤较重外,其他墙体均在中度损伤以下,结构梁柱损伤较轻,在中度损伤以下,结构具有较大的安全储备。
综上所述,在改建加固项目设计中粘滞阻尼器可耗散大量地震作用,有效使结构设计满足规范要求,且有着施工较为简便、施工周期短、对原结构破坏较小的优点。


图7.项目现场安装完成的阻尼器


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